Конструктивные элементы каркасных зданий. Общие сведения о здании. Соединение железобетонных конструкций

1. Общая характеристика каркасов производственных зданий

Современные производства размещаются в многоэтажных и одноэтажных зданиях, схемы и конструкции которых достаточно многообразны.

По числу пролетов одноэтажное здание подразделяются на однопролетные и многопролетные (с пролетами одинаковой и разной высоты).

В настоящее время строятся преимущественно здания многопролетные (с числом пролетов два и более). По виду внутрицехового транспорта здания подразделяются на бескрановые, с мостовыми кранами, с подвесными кранами, с подвесными конвейерами.

Наиболее широкое распространение получили одноэтажные производственные здания, оборудованные мостовыми электрическими кранами. Перемещаясь по подкрановым балкам на требуемой высоте, такие краны могут обслуживать практически всю площадь цеха, что весьма удобно для организации самых разнообразных производственных процессов.

Современные производственные здания имеют большие пролеты и высоту, часто оборудуются мощными кранами, вследствие чего в несущих конструкциях здания возникают большие усилия.

Комплекс несущих конструкций, воспринимающих нагрузку от веса ограждающих конструкций здания (кровля, стеновые панели, переплеты остекления и т.п.), атмосферные нагрузки (снег, ветер), нагрузки от кранов, а в некоторых случаях и от другого технологического оборудования, называется каркасом здания .

Наряду с полностью стальными или железобетонными каркасами применяются смешанные каркасы производственных зданий , в которых отдельные конструкции (чаще всего конструкции покрытия и подкрановые балки) выполняются из стали, а колонны – из сборного ж/б. Основу каркаса составляют поперечные рамы, состоящие из колонн, жестко защемленных в фундаменте и ригелей (стропильных ферм), жестко или шарнирно соединенных с колоннами. Расстояние между осями колонн в поперечном направлении здания называется пролетом. Расстояние между рамами называется шагом рам.

Рисунок 1.1 – Конструктивная схема стального каркаса двух пролетного производственного здания. 1 – колонны, 2 – стропильные фермы, 3 – подкрановые балки, 4 – светоаэрационные фонари, 5-связи по колоннам

В продольном направлении на рамы опираются подкрановые балки, элементы покрытия и фонари.

Жесткость и устойчивость каркаса и его отдельных элементов обеспечивается системой связей: вертикальными связями по колоннам, воспринимающими продольные усилия от действия ветра на торец здания и сил продольного торможения кранов; горизонтальными и вертикальными связями по шатру здания, обеспечивающими устойчивость конструкции покрытия.

Каркасы производственных зданий в большинстве случаев проектируют так, что несущая способность (включая жесткость) поперек здания обеспечивается поперечными рамами, а вдоль – продольными элементами каркаса, кровельными и стеновыми панелями.

Кроме перечисленных элементов в составе каркаса обязательно имеются конструкции торцевого фахверка (а иногда и продольного, площадок, лестниц и других элементов здания).

Производственные здания бывают однопролетными и многопролетными, оборудованными мостовыми кранами в одном или двух ярусах.

Cтраница 3

Каркасно-панельные здания проектируют с полным или неполным каркасом. При полном каркасе панели перекрытия опираются по углам на колонны. Колонны и ребра перекрытий образуют пространственный каркас здания. Панели стен и внутренних перегородок - самонесущие и крепятся к стойкам каркасов. При неполном (внутреннем) каркасе крайних колонн нет, а панели наружных стен несущие. Панели перекрытий опираются на несущие наружные стены и внутренние колонны каркаса.  

Элементами каркасного остова здания являются: несущие стойки или колонны, ригели и панели перекрытий и покрытий. В здании с полным каркасом все усилия и нагрузки воспринимаются колоннами, расположенными как по периметру, так и внутри здания, и передаются через фундаменты на грунт основания. В зданиях с неполным каркасом колонны по периметру отсутствуют, поэтому часть нагрузки воспринимается наружными несущими стенами, а часть - внутренним каркасным остовом, состоящим из колонн, балок и перекрытий.  

Общий вид многоэтажного промышленного здания.| Сборные железобетонные фундаменты под колонны каркаса здания а - одноблочный. б - из нескольких блоков.

Одноэтажные промышленные каркасные здания могут иметь полный или неполный каркас. В зданиях с полным каркасом все вертикальные нагрузки воспринимают колонны.  

В зданиях с полным каркасом балки (ригели) опираются на наружные и внутренние колонны, а в зданиях с неполным каркасом - на стены и внутренние колонны. Промышленные здания проектируют преимущественно с полным каркасом, а гражданские - как с полным, так и неполным. В зданиях с полным каркасом наружные стены бывают самонесущими или навесными.  

В зданиях с неполным каркасом связь стен с элементами каркаса осуществляют надлежащей заделкой опирающегося на кладку ригеля каркаса, а также анкеровкой в стенах ригеля и других элементов перекрытия. В зданиях с полным каркасом стены покоятся на обвязочных (а в первых этажах - на фундаментных) балках.  

Поперечные стержни 4 приваривают к продольной неналряга-емой арматуре 1 и 2 (рис - 128) и 19 и 20 (рис. 129), образуя плоские каркасы Кр-1 и Кр-3. Плоские каркасы с помощью стержней 5 объединяются в полные каркасы.  

Унификация конструктивных узлов проводится на основе сравнения различных конструктивных схем: бескаркасных зданий с поперечными или продольными стенами, зданий с неполным каркасом (с несущими наружными стенами) и зданий с полным каркасом. Сравнение показывает, что наиболее универсальной конструкцией является полный каркас, который допускает широкое варьирование планов с включением в них помещений различной площади и конфигурации; позволяв.  

Наиболее удобными в эксплуатации являются крупнопанельные здания с полным каркасом, при котором доступные для влаги и ветра участки стен в местах стыков дополнительно защищены изнутри колоннами каркаса. Отсутствие в каркасном здании несущих внутренних стен позволяет в случае необходимости легко производить перепланировку помещений, что также является достоинством этого типа зданий по сравнению с бескаркасными домами.  

Любое здание, независимо от его функционального назначения, состоит из определенного числа конструктивных и архитектурных элементов, выполняющих вполне определенную функцию. К таким основным элементам относятся: фундаменты, стены, перекрытия, отдельные опоры, крыша, перегородки, лестницы, окна, двери и т.п. (рис. 11). Они могут быть несущими, то есть воспринимать основные нагрузки, которые возникают в здании, ограждающими, то есть разделять помещения и защищать их от атмосферного воздействия, или совмещать в себе и те, и другие функции.

Рис. 11. :
1 - рама каркаса; 2 - обвязка рам; 3 - чердачное перекрытие; 4 - стропила; 5 - кровля; 6 - дымовая труба; 7 - обрешетка; 8 - стойка; 9 - подкос; 10 - отмостка; 11 - фундаментные столбики; 12 - цокольная перемычка; 13 - цоколь; 14 - цокольное перекрытие; 15 - доски для покрытия полов

Фундаменты представляют собой подземную конструкцию, назначение которой заключается в восприятии нагрузки от элементов здания и передаче их на основание - грунт. При этом под нагрузками от конструктивных элементов понимается не только их вес, но и все силы воздействия природных факторов (вес снегового покрова, ветер и т.п.).

Стены отделяют помещение от внешнего пространства (наружные стены) или от других помещений (внутренние стены), выполняя тем самым роль ограждающих конструкций. Кроме того, стены могут нести нагрузку не только от собственного веса, но и от вышележащих частей здания (перекрытий, крыши и др.), осуществляя при этом несущую функцию. Такие стены называют несущими. Если стены несут нагрузку только от собственного веса по всей высоте здания и не воспринимают нагрузок от других конструктивных элементов здания, то их называют самонесущими. Если самонесущие стены несут нагрузку только в пределах одного этажа, то они не считаются несущими.

Отдельными опорами называют колонны, стойки или столбы, выполняющие роль силовых конструкций каркасной схемы здания. На них опираются перекрытия, сосредотачиваются усилия от верхних конструктивных элементов здания. Для задействования отдельных опор в силовой схеме здания между ними часто устанавливают специальные балки (прогоны), которые вместе с опорами создают внутренний каркас здания.

Перегородки отделяют внутренние помещения друг от друга, разделяя пространство здания в пределах одного этажа. Это сравнительно тонкие стены, которые на каждом этаже опираются на перекрытия здания и никакой нагрузки не несут.

Перекрытия разделяют внутреннее пространство здания на этажи. Они ограничивают помещения одного этажа сверху и снизу и несут полезную нагрузку (вес людей, мебели, оборудования и т.п.), выполняя тем самым несущие функции. Перекрытия играют большую роль в обеспечении пространственной жесткости здания, не допуская деформаций под воздействием всех возможных нагрузок. Перекрытия могут быть междуэтажными, надподвальными и чердачными. По верху междуэтажных перекрытий настилают полы, а нижняя поверхность перекрытия образует потолок для нижележащего помещения.

Лестница является связующим звеном между разными высотными уровнями дома и служит для свободного перемещения людей с одного этажа на другой. Учитывая требования противопожарной безопасности лестницы, как правило, заключают в специальные помещения, огражденные стенами. Такие помещения называют лестничными клетками. Внутренняя лестница в малоэтажном доме размещается либо в передней и коридоре, либо в общей комнате, холле или на веранде (в случае с мансардой).

Окна служат для естественного освещения и проветривания помещений (естественной вентиляции) и являются одним из эффективных методов архитектурного оформления здания и внутреннего интерьера.

Двери служат для сообщения между помещениями одного высотного уровня. Двери бывают внутренними и наружными. Наружная дверь предназначена для связи внутренних помещений с наружным пространством.

Кроме этого, в здании может присутствовать ряд конструктивных элементов, которые не входят в схему силового каркаса. Это такие конструктивные элементы как балконы, веранда, крыльцо, приямки у окон подвала и др. Несмотря на то, что эти элементы не входят в силовую схему каркаса, их роль недооценивать нельзя.

Подготовительный этап Материалы для строительства каркасного дома Конструктивные элементы каркасных зданий Фундаменты каркасного дома Стены каркасных зданий

Каркасное здание – это здание, в котором основой несущего остова является каркас, состоящий из системы фундаментов, колонн, ригелей, плит перекрытий и элементов жесткости – связей, диафрагм или ядер жесткости. Основными строительными материалами для устройства каркасов являются сборный или монолитный железобетон (для зданий массового строительства), сталь (для уникальных, высотных или крупных промзданий) и дерево (для малоэтажных гражданских зданий).
По характеру работы каркасы подразделяются на три разновидности: рамную, связевую и рамно-связевую (рис. 55).

Рис. 55. Каркасы:
I – виды каркасных зданий:а – одноэтажное однопролетное; б, и, г – многоэтажные, двух-, трех- и многопролетные: б – с консолями; в, г – без консолей;
II – компоновочные схемы каркасных зданий:а – рамная; б – рамно-связевая; в – связевая; г – каркасно-ствольная.

Рамная схема – это элементы каркаса, жестко соединенные в конструктивных узлах в устойчивую и жесткую пространственную схему, воспринимающую вертикальные и горизонтальные усилия.

Связевая схема – это схема, при которой горизонтальные усилия воспринимаются жесткими перекрытиями, диафрагмами и ядрами жесткости. Вертикальные усилия воспринимаются колоннами и фундаментами. Соединения вертикальных и горизонтальных элементов при этом принимается условно шарнирными.

Рамно-связевая схема представляет собой комбинацию рамных и связевых схем. При этом в одном направлении жесткость обеспечивается вертикальными элементами жесткости (диафрагмами или связями), а в другом – самой рамой.

Для гражданских зданий применяют в основном сборный железобетонный каркас. Для рамного каркаса применяют разрезку на Г-, Т-, Н-, П-образные плоские элементы. Для связевого каркаса применяются прямолинейные элементы (рис. 56).



Рис. 56. Способы членения каркаса на элементы:
а – двухэтажные колонны и однопролетные ригели; б – Г-образные и Т-образные колоны и ригели-ставки;
в – многоэтажные однопролетные рамы; г – Ж-образные рамы; д – двухпролетные многоэтажные рамы;
е – одноэтажные колонны и однопролетные ригели; ж – Н-образные рамы; и – П-образная рама;
к – одноэтажная двухпролетная рама.

Фундаменты под колонны каркасных зданий устраиваются, как правило, из сборных железобетонных блоков стаканного типа.

Сборные железобетонные колонны каркасных зданий выполняются обычно сечением 300х300 и 400х400 мм с одной или несколькими консолями, а также с вынесенными консолями. По высоте колонны изготавливаются на один или два этажа (рис. 57).



Рис. 57. Колонны каркасов:

I – одноэтажные колонны; II – двухэтажные колонны; III – пример размещения
закладных деталей (показаны штриховкой) в колонне унифицированного каркаса;а – фасадные и рядовые колонны с обычными консолями; б – фасадные, рядовые и колонны лоджий со скрытыми консолями; в – фасадные и рядовые колонны с вынесенными консолями: г – колонны одноэтажной разрезки (с платформенным стыком).

Ригели, воспринимающие нагрузку от междуэтажных перекрытий и передающие ее на колонны, в зависимости от перекрываемого пролета и расположения в здании назначаются различных сечений: прямоугольного, таврового, в виде обратного тавра и т.д. В случае опирания плит перекрытий на боковые полки ригелей экономится высота этажа и здания в целом (рис. 58).

Рис. 58. Ригели каркасов:
I – сечения; II, III – общие виды: а – парный прямоугольного сечения;
б – одиночный прямоугольного сечения; в – тавровый; г, д – рядовые ригели в виде перевернутого тавра; е, ж, и, к, л – варианты фасадных ригелей; м – коридорный ригель; н, о, п – варианты лестничных ригелей.

Перекрытия каркасных зданий выполняются из сплошных, пустотных или ребристых железобетонных панелей. При этом часть плит выполняет роль связей или распорок, которые укладывают по осям колонн. Рядовые панели укладывают между связевыми панелями (рис. 59).



Рис. 59. Диафрагмы жесткого каркаса:
I – вертикальные: а – фрагмент диафрагмы жесткости;
б – стенка жесткости каркаса; 1 – колонна; 2 – стенка жесткости;3 – элементы стыков; 4 – шпонки; 5 – крайние стержни арматуры стенки;6 – выпуск арматуры для соединения с колонной; 7 – настил;
II – горизонтальные: а – узел соединения настилов-распорок с ригелями;б, в, г – связевые элементы перекрытия пустотные, ребристые и фасадные;1 – колонна; 2 – ригель; 3 – связевая панель; 4 – рядовые панели.

Вертикальные диафрагмы жесткости проектируют на всю высоту здания, начиная от фундамента. Элементы диафрагм имеют поэтажную разрезку и представляют собой глухие железобетонные стенки с полками поверху для опирания плит перекрытия. С колоннами диафрагмы соединяются сваркой закладных деталей, а стыки замоноличиваются.

Наружные стеновые панели могут опираться на ригели каркаса (в случае продольного их расположения), на крайнюю панель перекрытия или непосредственно на колонну (рис. 60).

Рис. 60. Варианты опирания наружных панелей на каркас:
а – крепление к колоннам; б – опирание на продольные ригели; в – опирание на перекрытие;
1 – ограждающая панель; 2 – колонна; 3 – перекрытие; 4 – ригель;5 – консоль; 6 – закладные детали.